Semiconductorevolutie onthuld: Verleden, heden en toekomst - Expert Q&A

Semiconductorproductie verleden, heden en toekomst: Een Q&A met industrieconsulent Carl White

Moore's Law, een concept voor het eerst geformuleerd door Intel medeoprichter Gordon E. Moore in 1965, voorspelde dat het aantal transistors op een geïntegreerde schakeling (of microchip) elke twee jaar zou verdubbelen terwijl de kosten van computing met zoveel als de helft zouden dalen, leidend tot exponentiële groei in rekenkracht. De semiconductorindustrie heeft hard gewerkt om bij dit paradigma te blijven, maar constant meer verwerkingskracht in minder ruimte leveren is niet makkelijk, vooral wanneer concurrenten naar hetzelfde doel streven en de consumentenvraag voor vooruitgaande technologie constant is.

Vooral dankzij Moore's Law, kan "Ik voel de behoefte - de behoefte aan snelheid!" meer lijken op een beschrijving van het dagelijks leven in de semiconductorindustrie dan op een herinneringscitaat uit Top Gun. Dit was een van de veel sleutelconclusies uit ons recente gesprek met industrieveteraan Carl White, principal engineering consultant bij C.L. White Engineering Services, LLC. Na bijna 40 jaar werken in bedrijven door de gehele semiconductorindustrie-toeleveringsketen, bood Carl een geweldig perspectief op de onvermindere behoefte aan snelheid - zowel in ontwikkeling als in verwerkingskracht. Lees verder om te ontdekken wat hij te zeggen had over wat vereist was om snel genoeg te innoveren om bij Moore's Law te blijven in het verleden, welke uitdagingen de semiconductorindustrie momenteel tegenkomt, en wat we in de nabije toekomst kunnen verwachten.

Swagelok Reference Point (SRP): Bedankt dat u bij ons bent, Carl. Kunt u beginnen met ons een beetje over uw achtergrond te vertellen?

Carl White: Ik ben een geboorte Arizonan, en ik studeerde industriële technologiemanagement en werktuigbouwkunde aan Arizona State voordat ik mijn carrière begon bij ASM, de semiconductorverwerkingsinstrument OEM, in 1982. Daarvandaan ging ik werken bij Spectrum CVD, wat toen eigendom was van Motorola; Materials Research Corporation, dat uiteindelijk onderdeel werd van Sony; Tokyo Electron, ook bekend als TEL; en uiteindelijk Applied Materials. Ik heb 28 van mijn 38 jaar in de semiconductorindustrie gewerkt binnen de OEM-ruimte en de andere 10 jaar voor een chipfabrikant - Motorola Semiconductor Products Group. Ik ging met pensioen bij ASM vorig jaar na de laatste 15 jaar te hebben gewerkt aan ALD (atoomlaagdepositie) technologie. Nu adviseer ik bedrijven in de industrie.

SRP: Het klinkt alsof u een interessant perspectief hebt, door uitgebreid gewerkt te hebben aan zowel de tool OEM als de chipfabricant kanten van de industrie. Wat dreef u om uw carrière hieraan te besteden?

CW: Het is een erg snel industrie. Technologie verandert constant en dat vereiste creativiteit en continu leren voor ons die in de ruimte werkten. Er was geen kans om zich te verveelen! Het was ook opwindend om te zien hoe de ontwerpen waar ik aan werkte verandering deden, aangezien semiconductortechnologie belangrijk is in bijna elke andere industrie.

SRP: Welke meta-trends hebben u gezien die de evolutie van de semiconductorindustrie dreven?

CW: In het begin was het het ruimtevaartprogramma. Later was het consumententechnologie. We gingen van rekenlinialen tot zakrekenmachines tot personal computers tot smartphones, en dat was mogelijk door de evolutie van semiconductortechnologie. Nu zien we het opkomen van AI en autonome voertuigen die verandering drijven. De ene constante is de behoefte om producten en informatie sneller te produceren. Nieuwe semiconductortechnologie is constant vereist om aan de vraag naar meer rekenkracht te voldoen.

Er is ook de dryfkracht die komt van concurrentie voor leiderschap in semiconductorinnovatie. Het is niet alleen concurrentie tussen bedrijven, maar iets wat plaatsvindt op wereldschaal. In de loop van de tijd hebben verschillende landen de ontwikkeling van semiconductortechnologie geleid, en die dynamische veranderingen leiden soms tot meer samenwerking op industrieniveau. Bijvoorbeeld, 14 Amerikaanse semiconductorbedrijven voegden zich in 1987 bij de Amerikaanse regering samen om SEMATECH te vormen, het chipproductieconsortium, in een poging de kwaliteit van de chips die ze produceerden te verbeteren om beter te kunnen concurreren op de wereldmarkt. Dat versnelde de vooruitgang in de semiconductorindustrie in de VS. Op dat moment probeerden veel bedrijven alles te doen... ontwerpen, produceren en chiptechnologie verkopen. Ze leerden zich specialiseren, wat leidde tot de creatie van foundries die chips voor andere bedrijven maken, wat de industriële vooruitgang ook helpte stroomlijnen.

SRP: Kunt u de relatie tussen chipdichtheid en de evolutie van semiconductortechnologie en de elektronica die het aandeed uitleggen? Hoe heeft dat de apparatuur en componenten beïnvloed die nodig zijn om chips te produceren?

CW: Miniaturisatie is een constante behoefte om bij Moore's Law te blijven. Om meer transistors op chips te krijgen, moet u ze kleiner en kleiner maken. U moet ook apparatuur aanpassen om in lijn te brengen met productieprocesvoortgang. Een belangrijk keerpunt was in de late jaren '90, begin 2000 toen de industrie overging van 200mm naar 300mm silicium wafers als basis voor chips - dit vereiste grote productie- en toolveranderingen. De ontwikkeling van high-K (dielektrische constante) gates voor 45nm (nanometer) transistors die minder elektronenlekken toelieten was een andere grote stap in de industrie's streven naar miniaturisatie. Ik was gelukkig genoeg om aan de ontwikkeling van de apparatuur te werken die Intel gebruikte om deze te produceren, dus de verandering was opwindend om te getuigen. Nu, voor perspectief, werken bedrijven aan 5nm chipproductie.

In het algemeen hebben we gezien dat bedrijven proberen naar kleinere procesknooppunten te gaan - betekent de productie van kleinere semiconductortechnologie feature sizes in een poging om kleinere, snellere, meer energie-efficiënte transistors te creëren - zo snel als elke 18 maanden. Dit overschrijdt de voorspelling van Moore's Law (naar kleinere procesknooppunten elke twee jaar) omdat dat is wat concurrenten doen.

Semiconductor fabricanten vertellen de tool OEMs wat ze willen bereiken wat chipprestaties betreft, en welke productieprocessen dat waarschijnlijk zal vereisen. De OEMs werken aan het maken van productieapparatuur die die soort prestaties kan mogelijk maken, en in dat werkzaamheden werken ze met bedrijven als Swagelok om bestaande componenten te vinden of om te collaboreren aan het engineering van nieuwe componenten om hun tools in te schakelen. Deze samenwerking is cruciaal als semiconductorbedrijven bij de snelheid van innovatie willen blijven, omdat het OEMs helpt de componenten te ontvangen die ze vandaag nodig hebben en het helpt de componentenfabrikanten de toekomstige behoeften van de industrie te anticiperen.

SRP: Drijft marktvraag naar specifieke elektronica-toepassingen semiconductorinnovatie, of gaat chiptechnologie-vooruitgang doorgaans marktvraag voor?

CW: Het kan beide kanten op gaan. Soms kan de algemene druk om semiconductortechnologie constant te laten evolueren leiden tot doorbraken voordat de markt weet wat ze met de technologie moeten. Bijvoorbeeld, in de jaren '90, waren rekenmogelijkheden snel gevorderd, maar de softwarekennis en vaardigheden die nodig waren om de volledige kracht van chiptechnologie te benutten, ontbraken, dus applicaties bleven achter op verwerkingsmogelijkheden. Maar in andere gevallen kan er druk zijn om bestaande applicaties meer te laten doen - we zien dat nu meer met de behoefte om meer dataverwerking en AI-applicaties mogelijk te maken.

Fundamenteel hebben we drie era's van vraag gezien. Van de jaren '60 tot de jaren '80, ging het allemaal om computers en rekenapparatuur in te schakelen. We hadden duizenden transistors op chips toen. Vanaf de jaren '80 zagen we de nadruk verschuiven naar mobiele technologie zoals laptops en mobiele telefoons in te schakelen. We hadden miljoenen transistors op een chip op dit punt. In het laatste decennium is gegevensoverdracht en -opslag de vraag drijvende kracht terwijl we technologie creëren die meer verbonden is (met de opkomst van het Internet of Things en slimme apparaten die rond-de-klok sociale interacties aandrijven) en datacentrisch (met trends als Big Data en machine learning die vraag creëren).

SRP: Hoe heeft de lopende vraag naar kleinere, maar krachtigere chips de prestatie-eisen van fluïdensysteemcomponenten gebruikt in semiconductorproductie beïnvloed?

CW: De verandering in semiconductorchipgeometrie in de loop van de tijd heeft de behoefte aan verschillende fluïdensysteemproducten gebruikt in het chipproductieproces gedreven. Vooral naarmate transistors kleiner geworden zijn, is het cruciaal om besmetting in verwerking te vermijden, aangezien dit opbrengsten en chipbetrouwbaarheid kan beïnvloeden. Ongecontroleerde processen en componentbesmetting moeten vermeden worden. Als resultaat is de industrie overgegaan van bellows-kleppen (hogere cyclusrendement) naar membraankleppen (historisch schoner) die minder "dode ruimte" en volume van ingehouden gas hebben, alsook minder bewegende delen.

Nu, met de release van de Swagelok^® ALD20 klep recent, zien we het voordeel van de hoge stroomcapaciteit die komt van een bellows-klep die nog steeds de ultrazuiver (UHP) prestaties biedt die nodig zijn in moderne semiconductorproductie. Dit werd mogelijk gemaakt deels omdat productietechnieken in de loop van de tijd zijn verbeterd, en omdat we ook toegang hebben tot verbeterde materialen - hoogwaardig VIM-VAR staal en corrosiebestende legeringen, bijvoorbeeld. Er worden ook betere afwerkingsmethoden toegepast, zoals elektropolijsten en passivering, alsook betere testen voor productlanceringen dan er vroeger waren. In het verleden heb ik gezien dat sommige bedrijven naar de finish racen om een technologie het eerst te lanceren, maar ze kwalificeerden hun componenten niet goed genoeg, en dat veroorzaakte ons problemen. Het is belangrijk te weten dat producten uit de doos zullen werken zoals beloofd in de semiconductorruimte; componenten waarop u kunt vertrouwen om consistent en herhaalbare prestaties te leveren zijn cruciaal.

SRP: Vergelijkbaar met een eerdere vraag, is het altijd kleptechnologie die verandert om nieuwe chipproductieprocessen mogelijk te maken, of heeft semiconductorproductievoortgang fluïdensysteeminnovaties gedreven?

CW: Veranderingen in semiconductorproductieprocessen hebben zeker een rol gespeeld in het definiëren van wat we nodig hebben uit UHP-kleppen en andere fluïdensysteemcomponenten. Wanneer u microchips produceert, coat u typisch een kristallijne wafer - silicium, bijvoorbeeld - door een reeks van nauwkeurige doseringen met een precursor gas in een depositiekamer om de wafer uniform te coaten voordat het verstijft. We nemen toenemend vloeibare en vaste precursor chemicaliën, sublimeren ze met hoge temperaturen en zorgvuldig gecontroleerde processen, en gebruiken dan UHP-kleppen om ze op de wafers te doseren. Deze chemicaliën kunnen vaak onstabiel zijn en agressieve, corrosieve kenmerken hebben, wat ze uitdagend maakt om effectief mee te werken.

We vertrouwen vaak op atoomlaagdepositie (ALD) en atoomlaagetsen (ALE) processen omdat chemische dampdepositie (CVD) en de precursors die we in dat proces gebruikten, niet effectief genoeg gecontroleerd kunnen worden om chipproductie bij de kleine transistorformaten die we vandaag zien te faciliteren. Het zijn deze veranderingen in processen en chemie - bijvoorbeeld, de industrie is in de jaren '90 overgegaan op koper interconnects van aluminium vanwege de hogere geleidbaarheid - die componentenveranderingen noodzakelijk maken.

Vroeg in de loop van de tijd realiseerden tool OEMs dat teleurstellende chipopbrengsten vaak veroorzaakt werden door procesproblemen in plaats van defecte apparatuur. Vocht, reactieve chemicaliën die blootgesteld worden aan de atmosfeer, deeltjes die residu in kleppen vormen en hen verhinderen van afdichten - dit waren alle uitdagingen die de industrie tegenkwam. We hebben geleerd naarmate we evolueerden om procesuitdagingen te controleren, vaak door geavanceerde fluïdensysteemcomponenten en systeemontwerpen. Dat heeft onze resultaten positief beïnvloed, maar het heeft ook chipproductieprocessen en de prestatie-eisen van enabling componenten beïnvloed.

SRP: Als dat een historisch plaatje is van de evolutie van semiconductorproductie, welke uitdagingen staat de industrie vandaag voor, en hoe beïnvloedt dat de fluïdensysteemcomponentvereisten?

CW: Om het volgende stadium van chipproductie te bereiken, hebben we betrouwbare productcontrole, herhaalbaarheid en klepfabrikatieconsistentie nodig. Semiconductor tools vereisen talrijke UHP-kleppen, en het is moeilijk om perfect uniformere prestaties van klep tot klep te hebben, maar we hebben die fabricageconsistentie nodig. Het gaat niet alleen om een hoogwaardig product, maar diezelfde kwaliteit van klep tot klep.

Ook temperatuurverandering is van belang. We hebben consistentie van prestaties bij hogere temperaturen en stroomsnelheden nodig. Er is meer nadruk op 3D NAND chipproductie nu, wat betekent meer materialen die in diepere spleten op chips gelaagd worden omdat transistors op elkaar gestapeld worden, dus moet u meer precursor media op de wafer doseren - misschien 200 keer zoveel gas - om deze locaties effectief te coaten. Er zijn steeds strakkere toleranties, en dat betekent minder toelaatbaarheid voor variabiliteit.

"Om het volgende stadium van chipproductie te bereiken, hebben we betrouwbare productcontrole, herhaalbaarheid en klepfabrikatieconsistentie nodig."

SRP: Behalve nauwkeurige dosering, temperatuurstabiliteit en stroomcapaciteit, wat heeft de industrie nog nodig uit UHP-kleppen om bij Moore's Law te blijven?

CW: We moeten ons richten op schoonheid en corrosieweerstand ook. Materialenwetenschap is hier belangrijk. Bijvoorbeeld, de ALD20 klep gebruikt Alloy 22 (Hastelloy^® C22) in de bellows omdat dat een materiaal is dat tegen hoog corrosieve chemieën kan. Maar zo geweldig het ook is, zelfs dit materiaal is niet ideaal in elk proces. Een speciale coating kan vereist zijn om verschillende chemieën te hanteren naarmate geometrieën kleiner worden en precursor chemicaliën agressiever worden. Deze coatings te ontwikkelen kan moeilijk en duur zijn, maar we hebben steeds minder tolerantie voor corrosie in onze processen.

Dit is waarom het cruciaal is dat fluïdensysteemoplossingenleveranciers nauw samenwerken met zowel OEM als semiconductorfabrikanten tijdens het ontwikkelen van nieuwe producten. Samenwerking was belangrijk toen Swagelok de eerste ALD-kleppen decennia geleden introduceerde, en het blijft belangrijker dan ooit. Soms betekent dit werken met tool OEMs, maar aangezien de eisen aan hun tools gedreven worden door chipfabrikanten, moet u soms ook direct met de fabs werken. Het gaat om samen probleemoplossen en uitvinden wat zinvol is op basis van de betrokken bedrijven's ontwikkelcycli. Maar het is deze samenwerking die de technologie van morgen mogelijk zal maken.

SRP: Hoe zag samenwerking met leveranciers eruit tijdens uw carrière? Hoe heeft u het persoonlijk ervaren?

CW: Vroeg in mijn carrière, toen ik bij ASM was, collaboreerde ik met Swagelok aan de ontwikkeling van de Swagelok^® DH serie UHP membraanklep. We hadden een klep nodig die zou presteren in een vacuum bij 220°C en kleiner was dan wat op de markt beschikbaar was op dat moment zodat we meer kleppen in een kleine ruimte konden passen om betere prestaties van onze ALD tools te krijgen. Ik werkte met Swagelok Southwest en Swagelok's corporate engineering afdeling om opties te testen, en we kwamen uiteindelijk tot een geweldige oplossing. Het resultaat was een membraanklep met een dubbele zuigerontwerp, een nieuw smeermiddel om besmetting in een vacuumkamer te vermijden, en extreme temperatuurbestendigheid die meer dan 10 miljoen cycli zou duren.

Het was ook behulpzaam dat het Swagelok team transparant was en bereid om testprotocollen en data gedurende het proces te delen, wat niet altijd het geval is met andere fabrikanten. Ook, zoals altijd het geval is met collaboratieve pogingen, maken de mensen het verschil. U wilt werken met mensen die het u gemakkelijk maken om uw werk te genieten, en het team waar ik aan dit project werkte was top. In mijn semiconductorindustriecarrière heb ik altijd gezocht naar zakelijke contacten die een win-win situatie willen bij omgaan met hun klanten, niet alleen een "wij winnen". Beide soorten bedrijven zijn er, dus ik heb altijd zorgvuldig gekozen.

SRP: Wat is er voor de semiconductorindustrie? Welke uitdagingen moeten overwonnen worden, en wat kunnen we in de nabije toekomst verwachten?

CW: Een uitdaging voor de industrie zal zijn om bij de schaalbehoeftes te blijven. Nu we bij 7nm of 5nm procesknooppunten zijn, waar gaan we heen? Bestaan de materialen en productiemogelijkheden om technologie verder te miniaturiseren? 3D NAND stapelen is één oplossing - we zien meer semiconductoren op elkaar gestapeld, wat drie keer het aantal transistors toestaat in één gebied vergeleken met wat traditioneel gedaan is. Nieuwe technologie wordt gewerkt om dit te faciliteren, zoals selectieve depositie-enabling technologie die u toestaat alleen te depositieren waar u wilt op een wafer, in plaats van het hele oppervlak te coaten.

Materialen veranderen ook. De industrie kijkt naar siliciumcarbide als basis voor wafers in plaats van silicium. Silicium is makkelijk te vinden en goedkoop, dus het werd breed geadopteerd, maar we zouden materialen als germanium weer in gebruik kunnen zien naarmate verschillende materialen nodig zijn om stroom te leveren aan transistors bij minuscule formaten. Andere snelle, belovende materialen zijn in de loop van de tijd onderzocht, maar de productieprocessen of chipvereisten hebben deze dure specialiteitsmaterialen misschien niet economisch haalbaar gemaakt. Nu hebben we ze misschien nodig.

Het gaat niet alleen om wafermaterialen die zullen moeten veranderen, maar onze processen: wat we depositeren, hoe we etsen, en zo verder. Nieuwere methoden als extreme ultraviolet lithografie (EUV) worden ingezet, maar zodra we beginnen te werken naar transistors kleiner dan 5-3nm, werkt dat misschien niet veel langer. Kosten worden exponentieel hoger hoe kleiner u gaat, dus we kunnen meer specialiteitsproviders zien die proberen bij Moore's Law te blijven in plaats van iedereen omdat het te duur wordt om dat te doen.

SRP: Bedankt voor het perspectief, Carl. Heeft u nog laatste wijsheden voor semiconductorprofessionals die de soort rollen vervullen die u in het verleden heeft gehad?

CW: Als één ding zeker is, is het dat we voortgaan met vooruitgang, zelfs als we niet altijd kunnen zien hoe dat plaatsvindt. Het ene ding waar u op kunt rekenen is de behoefte aan sterke relaties en samenwerking om waar u wilt te komen.

Wanneer u een gespecialiseerde behoefte heeft, is het niet altijd zo simpel als een product van de plank kopen om het aan te pakken; u moet soms met partners samenwerken om een next-generation oplossing te ontwikkelen. Wanneer u dat doet, zoek naar bedrijven die de engineeringcapaciteiten en de collaboratieve mindset hebben om u te helpen waar u wilt komen. U heeft collaborators nodig die naar uw behoeften luisteren, nooit beloven wat ze niet kunnen, en die geen kwaliteit opofferen om u tevreden te stellen. Het is een risico dat u loopt met veel bedrijven als u snel gaat, dus leer wie u kunt vertrouwen. Relaties opbouwen is het beste wat u kunt doen om resultaten te bouwen.

"...zoek naar bedrijven die de engineeringcapaciteiten en de collaboratieve mindset hebben om u te helpen waar u wilt komen. U heeft collaborators nodig die naar uw behoeften luisteren..."

SRP: Bedankt, Carl! We waarderen dat u de tijd heeft genomen om uw kennis met ons te delen vandaag.

CW: Mijn genoegen. Ik help graag.